基于自抗扰的船舶动力定位控制方法研究

摘要

随着海洋工程的发展，动力定位系统已广泛应用于海洋平台和船舶上，由于船舶作业的复杂程度日益增加，对定位的要求也越来越高，船舶的定位能力很大程度上取决于动力定位系统所采用的控制方法。由于水面船舶所受的干扰较强以及船舶模型的非线性和不确定性，传统的动力定位控制方法已不能满足要求。需要寻找一种能够抵抗干扰，并且控制器的设计不依赖于船舶精确模型的控制方法，通过研究发现自抗扰控制具有上述特点，因此，本文研究基于自抗扰的船舶动力定位系统控制问题。
　　 首先，建立了船舶和风、浪、流的数学模型。基于MMG建模机理建立了适合于动力定位系统的水面船舶三自由度数学模型，并且对海洋环境中的风、浪、流进行了数学建模，通过仿真试验验证了所建立船舶数学模型的有效性。建立的船舶模型和风、浪、流模型为后续验证控制器的有效性奠定了基础。
　　 其次，深入研究了自抗扰控制方法。首先分析了自抗扰控制器的结构，并且对它的各个组成部分--跟踪微分器、扩张状态观测器和非线性状态反馈控制律进行了详细阐述。然后讨论了输出信号中所带噪声对扩张状态观测器的影响，设计了带有滤波功能的扩张状态观测器。改进后的观测器在很大程度上减弱了噪声对扩张状态观测器估计效果的影响。
　　 最后，研究了基于自抗扰的船舶动力定位控制方法。在动力定位的背景下，根据船舶模型的阶数和对自抗扰控制方法的研究，设计了船舶动力定位白抗扰控制器，在自抗扰控制器中采用带有滤波功能的扩张状态观测器。同时，针对自抗扰控制器中非线性反馈控制律参数较难整定问题，采用模糊控制器对其参数进行整定。通过仿真试验验证了模糊自抗扰控制器的有效性。
　　 本文的主要工作是研究动力定位系统的控制算法，重点探讨了自抗扰控制算法在动力定位控制系统中的应用，并且对本文所设计的控制器做了仿真试验，仿真结果验证了所提出算法的有效性。